遗传重组的分子机制
06.第六章-遗传重组的分子机理
• Mu的DNA是线型的，两端没有粘性末端，而是类 似于IS的序列，并有与转座有关的基因A和基因B ， 其整合方式与λ噬菌体不同，不是位点专一性的整 合和切除，而是类似于转座因子，其末端常常带 有一小段宿主DNA，因而可以引起转导。
model): DNA双链的断裂与重接
3)Holliday模型：异源双链
(heteroduplex)的断裂与重接
4)Meselon-Radding 模型：
1.Holliday 模型
a) 同源染色体联会
b) 内切酶切割非姊妹染 色单体DNA
c) 交换重接形成交联桥 结构(cross-bridge
structure)
A: phe- try- tyr- × B: met- his-
苯丙AA 色AA 酪AA
甲硫AA 组AA
↓
原养型菌落
phe+ try+ tyr+ met+ his+
问题：是接合引起的？是转化引起的？
U型管实验
• 但在这里，结果却获 得了原养型菌株，说 明有一种可通过滤膜 的过滤性因子(FA)， 细菌不必直接接触即 可进行基因转移
遗传学讲义 第六章 遗传重组的分子基础
中国海洋大学 生命学院 汪小龙 xiaolong@
1、遗传重组的类型
(1) 同源重组(homologous recombination)
又叫普遍性重组(generalized recombination) ，大范围同源序 列对等交换。真核生物减数分裂中同源染色体联会，非姊妹 染色单体之间的交换就是同源重组。需要重组蛋白因子参与， 如E.coli. 的RecA.参与重组，又叫依赖于RecA的重组（RecAdependent recombination)；
第七章遗传重组
图 23－8 Holiday 重组模型。
b
12
B 3’ 5’ 5’ 3’
3’ 5’ 5’ 3’
3’ 5’ 5’ 3’ 移动联会 3’ 5’
5’ 3’ 交叉连接
3’ 5’ 5’ 3 链交叉
B 3’ 5’ 5 3’
点移动
(8)
A
B
两臂旋转
b a
(9)
A
B
b a
(10)
A
B
A B
b a
(11) A
B
a
b
24
4、RecA蛋白的作用方式
RecA蛋白首先与单链DNA结合（约每分子可结合５个核苷 酸），形成一条DNA－蛋白质细丝（需消耗ATP），RecA 蛋白即被活化； 活化的RecA将双螺旋解旋和分离，同时试图将其结合的单 链与被解旋区域退火，如此继续，直到找到互补顺序。 一旦有一小部份被真正“退火”，ATP供应的能量就会继 续驱使配对反应趋于完成，其方向是５’→３’（单链部 分）。 新的杂交双链形成时，RecA蛋白即从原来的单链掉下来。
A
B
a
b
b a
A
b
a
B
A
b
a
B
图 23－8 Holiday 重组模型。
7）Holliday中间体拆分 （二次切断），可以有 两种情况： Holliday中间体二次切 割发生在原断裂的两条 单链上，称为非交换型 重组，双链中存在异源 区域(图10, 11, 12)； Holliday中间体二次切 割发生在另外两条单链 上，称为交换型重组 (图10’, 11’, 12’)。
25
26
RecA蛋白促进的各类DNA分子间的联会
参与联会的DNA分子可以 是多种不同的形态分子 的组合； 但无论那种组合，其中 一个分子是单链分子， 或者有足够长度的单链 区。
第六章遗传重组
第六章 遗传重组1．简述同源重组的Meselson-Radding模型根据Meselson-Radding模型，基因的重组以及转换与异源DNA链的形成有密切关系，具体过程分步论述如下：（1）Holliday中间体的形成：①切断:同源联会的两个DNA分子中任意的一个出现单链切口，切口可能由某些内切酶产生，也可能由使同源DNA接近并发生联会的蛋白质因子作用导致切口的产生。
②链置换:切口处形成的5'端局部解链，酶系统利用切口处的3'-OH合成新链，填补解链后形成的单链空缺。
原有的链被逐步排挤置换出来。
③单链侵入:由链置换产生的单链区段侵入到参与联会的另一条DNA分子因局部解链而产生的单链泡中。
局部解链可能是由于某种DNA结合蛋白的作用产生，也可能由DNA的呼吸作用产生。
④环状DNA单链切除:侵入的单链DNA与参与联会的另一条DNA分子中的互补链形成碱基配对，同时把与侵入单链的同源链置换出来，由此产生D形环状结构。
D形环状结构的单链区随后被5'→3'外切酶切除降解掉。
⑤链同化:D形环状结构切除中产生的3'-OH断头与侵入单链的5'-P在DNA连接酶的作用下共价连接，形成非对称性异源双链区。
异源双链区内往往含有错配碱基，这些错配碱基对面临着细胞内修复系统的修复作用，而修复的结果就有可能造成基因的转换。
⑥异构化:链同化进行过程中，DNA经过一定的扭曲旋转，形成Holliday中间体。
⑦分支迁移:两条DNA分子之间形成的交叉点可以沿 DNA移动，这一过程叫分支迁移。
迁移实际上是两条DNA分子之间交叉的同源单链互相置换的结果，迁移的方向可以朝向DNA 分子的任意一端。
分支迁移使两条DNA分子中都出现异源双链区，此时称之为对称性异源双链区。
异源双链区的修复时间和方式与基因转换的发生与否有密切关系。
Holliday中间体的形成（2）Holliday中间体的拆分及异源双链区的修复①Holliday中间体的拆分Holliday中间体的形成只完成了重组的一半，由它联系在一起的两条DNA分子必须经过拆分回复到彼此分开的双螺旋分子状态。
遗传学中的基因重组机制
遗传学中的基因重组机制基因是生命的基本单位，它构成了个体特征的遗传基础，也是种群遗传变异和进化的驱动力。
基因重组机制指的是在有性生殖过程中，由于染色体的互换、交叉和拼接等作用，使某一段染色体上的一些基因和另一段染色体上的一些基因组合在一起，形成新的基因型和表现型。
基因重组机制是基因遗传多样性的重要来源，也是现代遗传学和生命科学研究的核心内容之一。
一、染色体的互换和交叉染色体是遗传信息的主要承载体，在有性生殖中扮演着至关重要的角色。
染色体的结构和功能非常复杂，其中最关键的是染色体上的DNA分子。
DNA分子是基因的物质基础，也是细胞遗传信息的主要传递者。
在染色体的结构上，DNA分子上带有一些特定的序列，被称为基因。
基因是指导着细胞生化过程和形态结构的核心因素，也是生命活动的基础之一。
染色体的互换和交叉是基因重组的主要方式之一。
在有性生殖过程中，每个个体都有两套相同或不同的染色体，一套来自父亲，一套来自母亲。
在染色体复制和准备分裂的过程中，染色体的不同区域之间会出现一些断裂和重组的现象。
这些断裂和重组的位置受到很多因素的影响，比如说染色体上的特殊序列、染色体的结构和环境等因素。
染色体的互换和交叉不仅涉及到基因的重组和表达，还涉及到染色体本身的结构和功能。
通过染色体的互换和交叉，染色体上的DNA序列得以复制和分离，从而确保了基因组的整体稳定，同时也保证了基因的多样性和变异。
在染色体互换和交叉的过程中，还可能出现一些错误和缺陷，导致染色体的异常和疾病。
因此，染色体的互换和交叉是基因重组机制中一个极其重要、且具有风险和挑战性的研究领域。
二、DNA的拼接和修复在基因重组和表达的过程中，DNA的拼接和修复起着非常关键的作用。
DNA拼接是指DNA分子上的不同片段在空间上的配对、组合和连接，形成一个整体的DNA分子。
DNA拼接也用于修复DNA分子在生物体内部和外部的损伤和缺陷，保证DNA分子的稳定和完整。
DNA拼接的过程非常复杂，需要依靠一系列酶和修饰因子的协同作用。
第六章遗传重组
1
主要内容
概述 6.1 6.2 6.3 6.4
同源重组 位点专一性重组 转座重组 异常重组 （了解）
2
概述：
遗传重组是生物界普遍存在的遗传现象。 进行有性生殖的物种在减数分裂过程中发生重组。 若发生了物理交换，则遗传物质产生新的排列组合。 生存→变异→突变，重组 适应环境、加速进化；损伤修复等。
链上，因而出现很低的转化频率。
敲除校正基因可使受体菌变为高转化效率菌。
45
P125
必须掌握
同源重组的功能和基本条件
同源重组的生物学功能： （1）对维持种群的遗传多样性有重要意义 （2）在真核生物中，同源重组使染色体产生瞬间物理连接， 保证了减数分裂中染色体的正确分离； （3）有助于损伤DNA的修复。 同源重组的发生应具有以下基本条件： （1）在交换区具有相同或相似的序列；
33
A A a a
粪壳菌的子囊孢子因在减数 分裂中或减数分裂后8孢子 中发生不同的修复作用，而 产生多种不同的分离比。
A A
a a
野生型：突变型 分离比有6：2；
4：4；
2：2：2：2等
34
（6）双链断裂修复模型
目前证明通过两个DNA分子之中的一个双链 断裂引发重组是个常见的机制。 该模型认为参与重组的两个DNA分子之一的 两条链被核酸内切酶切断，然后在核酸外切 酶作用下产生3’单链黏性末端。 两个3’游离末端之一侵入到另一个双螺旋的 同源区，臵换“供体”双螺旋的一个单链而 形成一段异源双链DNA，并同时产生一个D 环（D-loop）。
5´ 3´
3´
5´
5´ 3´
5´ 片
5´
3´
减数分裂的分子机制及遗传重组的作用
减数分裂的分子机制及遗传重组的作用减数分裂是染色体在生殖细胞分裂中特有的一种减数分裂方式，成对染色体将其数量减半，并产生多个独立的单倍体配子。
减数分裂是性繁殖基础过程中的关键步骤，它是控制基因频率和遗传多样性的主要机制，也是人工生殖和基因技术研究的基础。
减数分裂的过程可以分为两个阶段：减数分裂一和减数分裂二。
在减数分裂一中，同源染色体互相配对并重组，形成连锁降解。
减数分裂一还包括抗正应变和交叉互换，它们是保证染色体塑造和分裂的基本过程。
减数分裂二过程中，每一对同源染色体在游离的状态下分离，并向两个细胞中分配到一个单染色体。
这个过程的结果是生成了4个单倍体的配子，它们在基因型和性指标方面产生了重要的遗传多样性。
减数分裂的分子机制与细胞周期下game级别相关，它涉及到一系列分子调节机制。
其中，减数分裂的起始和调整是由于初级的减数分裂诱导因子和各种细胞调节网络调节的。
在一些同源重组的分子级别研究中，一些关键细胞因子的基因突变和表达异常会引起一些减数分裂的错乱，并导致染色体不平衡和配子遗传性状的异常。
在遗传重组中，基因重组代表的是两父本或亲本来源于不同染色体上的同一物种基因匹配。
这种遗传重组是通过减数分裂的分子机制和细胞调节网络而实现的。
它创造了基因新组合的机会，有可能产生部分新的基因类型，通过选择和演化会涌现新的基因优势。
遗传重组有助于保持物种多样性，有时也会导致某些基因频率的改变或染色体数量的变化。
同时，当配对染色体的同源染色体之间出现断裂或交换时，就会产生遗传多样性，这是遗传重组最主要的目的之一。
遗传重组的作用不只是局限于进化上，它还具有广泛的应用价值。
通过遗传重组技术，不仅可以改善作物和畜牧品种的产量和质量，还可以研究和识别一些病原体和疾病的遗传基础。
例如，人工诱导同源染色体断掉的重组事件可以通过细胞遗传学和分子遗传学方法研究染色体序列和基因结构的变化，以便给特定疾病的诊断和治疗提供依据。
此外，遗传重组技术还被广泛用于检测和判断一些环境污染和放射线辐射对基因组或DNA的影响，这对保护生物多样性和生态稳定性有莫大的好处。
DNA重组的机理---精华版
异常分离与基因转变
在一个杂合体中，如果一染色体把基因A交给它的 同源染色体，则它的同源染色体必定把基因a交回给 它，所以在真菌中，一个座位上的两等位基因分离时 ，应该呈现2：2或1：1：1：1或1：2：1的分离(表8-1) ，这就说明重组通常总是交互的。可是Lindegren在面 包酵母（Saccharomyces cerevisiae）中发现，有的子囊 含有（3A+1a）或（1A+3a）的子囊孢子。以后在脉 孢霉、酿酒酵母、子囊菌Ascobolus immersus及果蝇中 也发现这种现象。
•片段重组体：切开的链与原来断裂 的是同一条链，重组体含有一段异源 双链区，其两侧来自同一亲本DNA。 •拼接重组体：切开的链并非原来断 裂的链，重组体异源双链区的两侧来 自不同亲本DNA。
电镜下的Holliday结构
Meselson-Radding单链侵入模型
Holliday模型中为对称的杂合双链， 而实际情况有不均等分离现象，1975年 Meselson-Radding 提出模型解释这种不 对称重组现象。
基因重组的相关概念 同源重组 转座重组 位点特异性重组 DNA重组技术简介
一、基因重组
• • 英文名称：gene recombination 定义：是指由于不同DNA链的断裂和连 接而产生的DNA片段的交换、插入等的 重新组合，形成新的DNA分子的过程。 包括发生在生物体内(如减数分裂中异源 双链的核酸交换)和在体外环境中用人工 手段使不同来源DNA重新组合的过程。
真核生物的转座子
Barbara McClintock
Nobel Prize for Physiology Medicine 1983
玉米的Ac-Ds系统
真核生物的转座子根据其DNA结构和转座 机理的不同,分为两类,第一类是反转座子，其 转座过程是DNA→RNA→DNA，需要RNA中 间体；第二类是DNA转座子，其转座过程是 DNA→DNA，无RNA中间体。
遗传学中的基因重组机制
遗传学中的基因重组机制基因重组机制是一种通过DNA分子重组来产生新的基因组合的过程。
它在遗传学中起到至关重要的作用，导致了基因的多样性和进化。
基因重组可以分为两种类型：亲代重组和后代重组。
亲代重组是指在有性繁殖过程中发生的DNA重组。
它包括三个主要的机制：交叉互换、基因转座和不整合配子结合。
交叉互换是一种重组机制，发生在亲代细胞减数分裂的过程中。
在减数分裂中，亲代染色体通过交换DNA片段来重组基因组。
在交叉互换过程中，亲代染色体由于交叉互换点的不同而产生了不同数量的重组交换事件。
交叉互换在保持染色体稳定性的同时，增加了基因组的变异性。
基因转座是指DNA片段通过酶的作用从一个位置转移到另一个位置。
基因转座元件是能够跳跃到不同的染色体或基因组位置的DNA片段或基因。
这种转座事件导致了基因组的重新组合，从而影响基因的表达和功能。
不整合配子结合是另一种亲代重组的机制，发生在有性繁殖的过程中。
在不整合配子结合中，父本的染色体并不按原来的组合方式传递给子代。
这种不整合配子结合机制导致了基因组的重新组合，并且增加了基因组的多样性。
后代重组是指在细胞分裂和突变过程中发生的DNA重组。
后代重组包括三个主要的机制：突变、杂交和基因测序。
突变是一种发生在DNA复制过程中的错误，导致新的DNA序列的插入、删除或替换。
突变在基因重组中起到了关键的作用，因为它改变了染色体的DNA序列，从而导致了基因组的重组。
杂交是指不同个体之间的DNA重组。
当两个不同物种或品种的个体杂交时，他们的基因组会发生重组。
杂交产生了新的基因组组合，从而增加了基因组的多样性。
基因测序是一种通过DNA测序技术来确定基因组序列的方法。
通过测序技术，可以确定基因组的不同区域的DNA序列。
基因测序揭示了基因组的重组模式和基因组的多样性。
总而言之，基因重组是遗传学中的一个重要概念，可以产生新的基因组合，导致基因的多样性和进化。
亲代重组和后代重组是基因重组的两种机制，包括交叉互换、基因转座、不整合配子结合、突变、杂交和基因测序等过程。
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的区域称为极化子；
转变频率 单链断裂点
m1 m2
哈工大-遗传学
m3
第八章 遗传重组
m4
m5
三、细菌的同源重组
(一)、细菌同源重组的特点
①发生在环状双链DNA分子与一个双链或单链DNA 分子之间；
转化：单链 × 双链 接合：双链 × 双链 转导：双链 × 双链
哈工大-遗传学
第八章 遗传重组
②存在8个碱基组成的重组热点(Chi位点) [E.coli 5-10Kb]： chi 位点 5' GCTGGTGG 3' 3' CGACCACC 5' ③需要几种重要的蛋白质：
+
+
+ + + -
+
+
+ + ? -
+
+
+ ? ? -
+
+
+
+
+
-
+
+ -
+
-
+
-
6:2 (或 2:6)
120/200000
5:3 (或 3:5)
100/200000
3:1:1:3
16/200000
(1). 染色单体转变: (chromatid conversion) 6:2 / 2:6 分离 (2). 半染色单体转变: (half-chromatid conversion)
B 3’ 5’ 5’ b 3’ 联会 B 3’ 5’ 5’ 3’
(8)
A B 两臂旋转 b a
b 酶切 B
(9)
A B
(3) 5’ A 3’ 3’ 5’ a (4) 5’ A 3’ 3’ 5’ a
3’ 5’ 5’ b 3’ 游离端移动联会 B 3’ 5’ 5’ b 3’ 游离端交叉连接 3’ 5’ 5’ b 3 形成单链交叉 3’ 5’ 5 b 3’ 分支点移动 B A B B
1948年，Hershey再次提出；
霍利迪(Holliday)模型
1964年Robin Holliday提出；
哈工大-遗传学 第八章 遗传重组
1. 同源的非姐妹染色单体联会; 2. DNA内切酶在非姐妹染色单 方向相同的一条单链； 3. 切开的单链交换重接; 4. 形成交联桥结构； 5. 分支迁移：形成一大段异源 双链DNA(Holliday结构) 6. 绕交联桥旋转1800，形成 Holliday异构体； 7. 切开与重接：
哈工大-遗传学
第八章 遗传重组
(二)、同源重组的Holliday模型
交叉理论（chiasmatatype hypothesis）
1909年，Janssens提出；
断裂和重接模型
1937年，Darlington提出；
模板选择学说（copy choice ）
Belling J.首先提出，1933年又撤回；
(2). 一个杂种分子得到校正，另一条未校正，有丝分裂后 分离形成 5:3 或 3:5 的分离比，属于半染色单体转变； (3). 两个杂种分子都被校正到同一种类型，有丝分裂后分 离形成 6:2或2:6 的分离比，属于染色单体转变； (4). 两个杂种分子都被校正到不同类型，有丝分裂后分离 形成 4:4 分离比，未出现基因转变；
A ＋
－
a
－ A ＋
a a A A A A a a
－
＋
＋
－
减数分裂I
MI
减数分裂II
MII
a
有丝分裂
哈工大-遗传学
第八章 遗传重组
哈工大-遗传学
第八章 遗传重组
(三)、基因转变及其分子机理
1、异常分离与基因转变 粗糙脉孢菌： pdxp：酸度敏感的VB6依赖型 pdx： 酸度不敏感的VB6依赖型
哈工大-遗传学 第八章 遗传重组
哈工大-遗传学
第八章 遗传重组
哈工大-遗传学
第八章 遗传重组
Holliday 模型中，由于重组而产生的异源双链区存在 不配对碱基，可被细胞内的修复系统能够识别并以一条链 为模板进行切除修复： (1). 两个杂种分子均未得到校正，有丝分裂后分离形成4:4 或 3:1:1:3的异常孢子分离比，属于半染色单体转变；
RecBCD 复合体：具有核酸酶，解旋酶和 ATPase 活性，在
Chi位点产生单链 3'游离未端； RecA：促进DNA单链的同化，即促进单链与同源双链分子 发生链的交换； RuvAB复合体：促进分支迁移； RuvC：核酸内切酶，切开重组中间体(Holliday连接体)；
哈工大-遗传学 第八章 遗传重组
哈工大-遗传学
第八章 遗传重组
+ pdxp
×
pdx +
585个子囊中
子囊 孢子对
①
1 2 3 4 + + + pdx pdxp pdx + pdxp + pdx + +
②
③
+ + + + pdx + pdxp + +
④
pdx + + pdx + pdxp + +
?
+
pdxp pdx
哈工大-遗传学
第八章 遗传重组
第八章 遗传重组
Holliday模型同样适用于环状DNA间的重组 两个环状DNA分子配对、断裂、重接形成“8”字 型结构中间物，根据切割的位置不同，可分别形成两 个亲本环、大的单体环或者是滚环结构，也可以形成 “χ” 结构。
哈工大-遗传学
第八章 遗传重组
哈工大-遗传学
第八章 遗传重组
支持Holliday遗传重组模型的证据： 1、形态学上，Holliday中间体(Chi 结构)的电镜照片； 2、异源双链形成时，产生碱基错配导致与重组相关联
未转变
m1 + + + + m2 + m2
单转变
m1 + m1 + m1 + + m2
共转变
m1 + + m2 + m2 + m2
共转变
哈工大-遗传学
第八章 遗传重组
极化子：距离单链断裂点的位置越近越容易发生基因
转变，越远越不易发生转变，由此基因转变频率由高
到低形成一个梯度，染色体上呈现基因转变极化现象
RecA蛋白介导的DNA链交换模型
1). RecA 蛋白与单链 DNA 结
合，形成螺旋状纤丝； 2). 螺旋状纤丝与同源双链 DNA结合； 3). 螺旋状纤丝中的单链 ( 入 侵单链)与双链中的互补链配 对，
哈工大-遗传学
第八章 遗传重组
游离的3'单链末端
形成Holliday连接体
单链侵入并置换
哈工大-遗传学 第八章 遗传重组
(四)、同源重组的Meselson – Radding 模型
Holliday 模型中为对称的杂合双链，而实际情况有 不均等分离现象，1975年Meselson-Radding 提出模型解 释这种不对称重组现象；
哈工大-遗传学
第八章 遗传重组
修复校正：若一个杂种分子被校正为野生型(突变型)，另一个未被校正
(二)、细菌同源重组的机制---接合和转导(双链和双链)
RecBCD 结合在双链断裂处 chi 5’ BCD 3’
RecBCD 解链并作为外切酶降解 DNA chi RecBCD 停留在 chi 处，内切酶切开单链
RecD 在 chi 顺序解离
RecBC 继续作为解链酶
图 23-15 RecBCD 核酸酶从一侧接近 chi 顺序，当它前进
+ +
+ + -
+ +
+ + + -
- + - + - + - + 基因转变 - +(gene conversion) - - ：一个基因转变为它的等位基 + + + + + + 因的遗传学现象（源于基因内重组）。 + + + + + + + + + + + + -
染色单体转变粪生粪壳菌(Olive): 半染色单体转变 g+ × g -
1909年，Janssens提出；
断裂和重接模型
1937年，Darlington提出；
模板选择学说（copy choice ）
Belling J.首先提出，1933年又撤回；
1948年，Hershey再次提出；
Holliday模型
1964年Robin Holliday提出；
哈工大-遗传学 第八章 遗传重组
上一章主要内容回顾
几个主要的概念： • 转化 • 转导
– 普遍性转导
几个主要的知识点： • 转化时重组率的计算 • 转导时基因顺序的判断
– 局限性转导
– 流产转导
哈工大-遗传学
第八章 遗传重组
第八章
遗传重组
哈工大-遗传学
第八章 遗传重组
DNA 的复制 遗传 DNA 的修复 生物 DNA突变
变异
DNA重排
的基因转变的发生；
哈工大-遗传学
第八章 遗传重组
(三)、基因转变及其分子机理
1、异常分离与基因转变 粗糙脉孢菌： pdxp：酸度敏感的VB6依赖型 pdx： 酸度不敏感的VB6依赖型
哈工大-遗传学
第八章 遗传重组
第一次分裂分离(MI)模式
A